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用于半导体可靠性的短脉冲强制性测试

用于半导体可靠性的短脉冲强制性测试 A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C E 开发IC让它能工作是一回事；而让它耐用就是另一回事了。随着新技术出现新的可靠性问题，后者变得越来越难。在封装之前，在晶圆上进行脉冲测试会有帮助。测试方法必须改变在先进IC技术中，传统的直流测试不一定能发现由新材料和失效机制引起或恶化的可靠性问题。由于脆弱性增加、功率密度增大以及新的失效机制，芯片面积缩小、新材料和设计变复杂对器件寿命产生巨大影响。 ...

A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C E 开发IC让它能工作是一回事；而让它耐用就是另一回事了。随着新技术出现新的可靠性问题，后者变得越来越难。在封装之前，在晶圆上进行脉冲测试会有帮助。测试方法必须改变在先进IC技术中，传统的直流测试不一定能发现由新材料和失效机制引起或恶化的可靠性问题。由于脆弱性增加、功率密度增大以及新的失效机制，芯片面积缩小、新材料和设计变复杂对器件寿命产生巨大影响。对于使用新的高k材料的纳米级栅极电介质尤其如此。用以前的工艺加工的器件能有100年寿命，现在却只有 10年寿命——令人不安地接近系统的预期寿命。因此，必须在从开始设计、全面测试到生产阶段中持续地监测可靠性。在许多情况下，应力测量周期中执行HCI（热载流子注入）、NBTI （负偏置温度不稳定性）和TDDB（时间相关介质击穿）测试的方法扩展不限于电流实现。采用开关矩阵的仪器进行重复的直流周期会出现电荷俘获弛豫，因此不一定代表实际使用情况，而且可能掩盖在实际使用情况中常见的高速效应。今天，需要用超短脉冲测试揭示在直流测试中不会出现的这些界面电荷俘获的微妙问题。技术和经济驱动测试需求 HCI和NBTI等加速测试能快速生成曲线并外推预测工作寿命，因此能深入地了解器件设计和制造工艺。最有效的方法是让器件过应力，测量关键工作参数的退化趋势，并且外推此数据以获得完整的工作寿命（图 1）。然而，如果外推不能代表器件使用的方式，那么这种方法就没有用。例如，当栅极电压应力卸载后 NBTI退化会恢复。然后，漏极电流和阈值电压会恢复回到它们的原始值——这种情况可能与现实使用不符。如果恢复之后应力继续，那么器件的退化将遵照先前的退化曲线。随着应力测量周期的恢复，测试结果会高估长期处于工作状态晶体管的寿命。另一方面，正确控制松弛是测试频繁进行开关的晶体管的正确方法。在这种情况下，由于传统直流应力和退化技术没有考虑恢复效应，因此可能低估了体管寿命。抛弃好器件与留下坏器件的成本几乎同样昂贵。类似地，容易自发热的器件（例如SOI或功率器件）在直流测试中的分析也可能不正确。当用于快速开关的器件却采用直流测试时，可能会产生与实际使用无关的热应力。然后，外推的寿命和性能特性肯定不正确而且使人误解。处理此问题发展变化的更好办法是使用脉冲应力而不是直流应力。使用脉冲应力，以更切实可行的方法向晶体管施加应力。阈值电压的退化可以按照脉冲频率的关系进行测量并且测量消除了直流应力带来的人工影响。这提供了关于不同应用的恢复特用于半导体可靠性的短脉冲强制性测试图1. 从HCI测试外插得到寿命可靠性的例子全国免费电话：400-650-1334 / 800-810-1334 邮箱：china @ keithley.com 网址： www.keithley.com.cn 美国吉时利仪器公司性的重要信息并且描述了器件的内在工作（消除了电荷俘获或等温效应）。此信息能用于技术开发和电路设计以便更好地管理寿命和可靠性问题。开发高k栅极薄膜脉冲技术的使用对于高k栅极材料的验证和演进MOSFET器件的生产工艺特别重要。许多新技术的漏电流还是比成熟技术的高，但是材料中存在大量表面态和陷阱。为了完整的分析表面态和陷阱，通常需要多种测量技术。通常，这些测量技术包括直流 I-V、脉冲I-V、C-V和电荷泵测量。一种单脉冲电荷俘获（SPCT）的新技术使用脉冲发生器执行快速 I-V曲线要么避免电荷俘获，要么测量电荷俘获与器件开关频率的关系。由于建模工作，SPCT能区分最初的电荷俘获中心与之后在薄膜中由电压应力产生的电荷俘获中心。SPCT的另一个优点是简单和直接的特性——测试结果能与直流测量比较，无需重置系统硬件或将晶圆移到另一个台上。在SPCT方面的成功关键是控制应力和测量之间俘获电荷的开关时间和恢复。因此，需要使用快速（纳秒）上升时间和下降时间的短脉冲，而不是采用早期测试系统中常见的直流测试。采用这些超短脉冲，您能控制注入的电荷量，观察是否存在因应力损坏的表面，并确定这种损坏如何影响电荷俘获的行为。为了分析具有不同功能（包括高频率工作）的晶体管，最佳的模型来自于排除了与直流或较慢脉冲测量相关的人工影响的测量仪器。建模工程师能使用超短脉冲数据改善器件真实性能的描述并且优化实际工作状况的设计。工艺工程师还需要这些数据分析和跟踪薄膜质量的改进以及器件退化。在这两种情况下，其结果是完善寿命预测和可靠性。 SPCT测量仪器的核心要求是带多个源-测量单元（SMU）和前置放大器能提供亚fA分辨率用于栅极漏电流测量的半导体特性分析系统。还需要超短脉冲发生器和足够宽的测量带宽以捕获低至几十纳秒的器件响应。这类型的商用测试系统现已供货。例如，吉时利4200-SCS半导体特性分析系统现有脉冲I-V（PIV）选件完全集成在测试台封装中，其中简化的PIV 软件能快速提供准确的电荷俘获数据或工作数据而不会自发热。这些功能对于研究90nm以下高k材料结点、热敏器件和先进存储设计的前沿研究人员缩短产品面市时间极为重要。

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